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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Schalten
von Wechselspannungssignalen mit einem im Längszweig und einem im Querzweig liegenden
elektronischen Schalter, welche derart angesteuert sind, daß bei geöffnetem, im
Längszweig liegendem Schalter der im Querzweig liegende geschlossen und bei geschlossenem,
im Längszweig liegenden Schalter geöffnet ist. Bei einer bekannten derartigen Schaltungsanordnung
ist der im Querzweig liegende Schalter ein Schalttransistor, der durch einen seiner
Basis zugeführten Tastimpuls bis zur Sättigung durchgesteuert wird. Zwischen. dem
Anschluß der Kollektor-Emitter-Strecke dieses Schalttransistors und den Signalausgang
ist eine Diode geschaltet, an die eine Sperrspannung gelegt wird, wenn der Schalttransistor
im leitenden Zustand ist. Eine derartige Schaltungsanordnung ist für elektroakustische
Anlagen kaum geeignet, da er hinsichtlich Klirrfaktor; Verhältnis von Sperr- zu
Durchlaßdämpfung und insbesondere der Knackgeräusche beim Umschalten den an solche
Anlagen gestellten Forderungen nicht genügt.
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Kontaktlose Schalter werden bevorzugt eingesetzt, wenn wegen häufigen
Schalters Relais hinsichtlich Störungsfreiheit, Wartung und Kontaktzuverlässigkeit
unbefriedigend sind. Man ist auch bemüht, kontaktlose Schalter in Kreuzschienenverteiler
einzusetzen, da wegen der großen Zahl von Kontaktstellen die einzelnen Kontakte
eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen sollen. In einem Kreuzschienenverteiler werden
bekanntlich eine Anzahl von Informationsquellen auf eine Anzahl von Informationsverbrauchern
wahlweise durchverbunden. Eingangs- und Ausgangsschienen kreuzen dabei einander
so, daß sich eine Matrix von Kreuzungspunkten ergibt und durch Verbinden der Schienen
an einem Kreuzungspunkt ein Eingang auf einen Ausgang geschaltet wird. Solche Verteiler
wurden bisher mit Relais aufgebaut, obwohl diesen verschiedene Mängel anhaften.
Sie haben jedoch den großen Vorteil einer großen Sperrdämpfung, die bisher mit kontaktlosen,
aus Halbleiterbauelementen aufgebauten Schaltern nicht erreicht werden konnte.
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In F i g. 1 ist ein kontaktloser Schalter dargestellt, der für den
Einsatz in Kreuzschienenverteiler vorgeschlagen wurde. Das Eingangssignal wird über
einen Übertrager Vi, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung enthält, den Kollektoren
von zwei Transistoren T1 und T2 zugeführt. In den Emitterkreisen dieser Transistoren
liegt die Primärwicklung eines Ausgangsübertragers Ü2, die ebenfalls eine Mittelanzapfung
enthält. An die Mittelanzapfungen der Übertrager ist die Speisespannung angeschlossen.
Die Basisanschlüsse der Transistoren T1 und T2 sind über Widerstände miteinander
.verbunden und liegen über einen Schalter an dem Pluspol der Speisespannung: Wird
der Schalter geschlossen, so führen die beiden Transistoren Strom, und das Wechselspannungssignal
gelangt vom Eingangsübertrager zum Ausgangsübertrager. Die Sperrdämpfung eines solchen
Schalters ist bei höheren Frequenzen nur gering, da die Kollektor-Emitter-Kapazitäten
der Transistoren im Vergleich zum Belastungswiderstand am Ausgang so groß sind,
daß am Ausgang ein störendes Wechselspannungssignal auftritt. Zur Erhöhung der Sperrdämpfung
hat man deshalb Kompensationskondensatoren C3 und C4 vorgesehen, deren Abgleich
aber sehr kritisch und temperaturabhängig ist. Es kann kaum eine Dämpfung von mehr
als 90 db erreicht werden. Für Tonkreuzschienenverteiler ist dagegen eine Dämpfung
von mindestens 100 db erforderlich.
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Es wurden auch Dämpfungsglieder vorgeschlagen (Patentanmeldung S 104916
VIII c/21 a2), die eine Diodenbrücke enthalten. Die Brücke ist so in den Signalweg
geschaltet, daß zwei Brückenzweige mit je zwei gegensinnig geschalteten Diodenstrecken
den Signalweg überbrücken. An die Brückenzweige sind zwischen den Diodenstrecken
die beiden Pole einer Steuergleichspannung angeschlossen. Der Diodenbrücke ist in
dein Signalweg ein Widerstand mit einem solchen Widerstandswert vorgeschaltet, daß,
wenn die Dioden in Durchlaßrichtung gepolt sind, das Verhältnis des aus dem Durchlaßwiderstand
der Diodenbrücke und dem Vorwiderstand klein ist und der Signalpegel entsprechend
erniedrigt wird und daß, wenn die Dioden in Sperrichtung gepolt sind, das Spannungsteilerverhältnis
groß ist und der Signalpegel nur wenig erniedrigt wird. Eine solche Diodenbrücke
kann als Schalter verwendet werden, dessen Sperrdämpfung größer als die des Schalters
nach F i g. 1 ist, aber noch nicht völlig den Anforderungen genügt, die an einen
Schalter für einen Kreuzschienenverteiler gestellt werden. Weitere Nachteile dieses
Schalters sind darin zu sehen, daß die Widerstände R die Wechselstromquelle belasten
und daß Ungleichheiten der Diodenbrücke beim Schalten der Gleichspannung zu Knackstörungen
am Ausgang führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen kontaktlosen Schalter zu schaffen,
der insbesondere für Tonkreuzschienenverteiler geeignet ist und bei dem die Nachteile
der vorbekannten Schalter vermieden sind, der aber dennoch günstige Eigenschaften
hinsichtlich seines Frequenzganges, seines Klirrfaktors und seiner Aussteuerfähigkeit
aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wechselspannung
auf einer symmetrischen Leitung geführt ist, in deren Adern jeweils ein im Längszweig
liegender, als Schalter wirkender Transistor vorgesehen ist, auf die eine den im
Querzweig liegenden Schalter bildende Diodenbrücke folgt, welche die Signalwege
überbrückt, und daß die Kollektor- oder Emitterströme der im Längszweig liegenden
Transistoren einen gemeinsamen Widerstand durchfließen und an diesem einen Spannungsabfall
erzeugen, der größer als die an einem Spannungsteiler abgegriffene konstante Spannung
ist, so daß die von der Differenz dieser Spannung angesteuerte Diodenbrücke bei
durchgesteuerten Transistoren gesperrt und bei gesperrten Transistoren durchgeschaltet
ist. Dadurch, daß für die in den Längszweigen liegenden Schalter Transistoren und
für den im Querzweig liegenden Schalter eine gesteuerte Diodenbrücke verwendet ist,
wird die Signalquelle nur wenig belastet, und es entsteht beim Umschalten nur eine
niedrige Knackspannung.
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Unter Umständen ist der niedrige Ausgangswiderstand des geöffneten
Schalters unerwünscht, insbesondere dann, wenn, wie im Falle eines Kreuzschienenverteilers,
eine von vielen Eingängen auf eine gemeinsame Ausgangsschiene geschaltet wird. Die
jeweils sperrenden Schalter würden die jeweils durchgeschaltete Signalquelle kurzschließen.
Um dies zu vermeiden, ist in die Signalwege des Schalters je ein weiterer, zum ersten
Schalter in Reihe liegender und parallel zu diesem angesteuerter Schalter vorgesehen.
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Bei Einsatz des Schalters nach der Erfindung in einem Kreuzschienenverteiler,
wozu er besonders geeignet ist, ist außerdem vorzugsweise für jede Ausgangsschiene
jeweils
eine weitere Diodenbrücke vorgesehen, die über Entkopplungsdioden von allen Kreuzpunkten
oder von einer Verriegelungsschaltung, die verhindert, daß mehrere Eingänge auf
einen Ausgang geschaltet sind, angesteuert wird.
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An Hand der F i g. 2 und 3, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen
näher beschrieben und erläutert.
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F i g. 2 zeigt das Schaltbild eines bevorzugten Schalters nach der
Erfindung.
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In F i g. 3 ist ein mit Schaltern nach der Erfindung aufgebauter Kreuzschienenverteiler
im Prinzip dargestellt.
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Die zu schaltende Wechselspannung wird über einen übertrager ü1 dem
Schalter zugeführt. An der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers liegen die Kollektoren
der Transistoren T3 und T4, an deren Emitter ein weiteres Transistorpaar T5, TB
in Reihe geschaltet ist, in deren Emitterkreis die Primärwicklung des Ausgangsübertragers
liegt. Die Basiselektroden der Transistoren sind entkoppelt parallel geschaltet
und werden über einen Schalter S von dem Pluspol der Speisespannung angesteuert.
Eine Diode D3 dient dazu, etwaige Rückströme in der Ansteuerschaltung zu verhindern.
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Zwischen den beiden Transistorpaaren liegt über zwei Kondensatoren
C5 und C, die eine Diagonale einer Diodenbrücke D4, deren andere Diagonale mit einer
Spannung angesteuert wird, die aus der Differenz zwischen einer an einem Potentiometer
RJR2 abgegriffenen konstanten Spannung und der an dem gemeinsamen Emitterwiderstand
R3 der Transistoren T5 und T8 abfallenden Spannung gebildet wird. Die Kollektorgleichspannung
der Transistoren T3 und T4 wird über einen Widerstand und über jeweils eine Wicklungshälfte
der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers zugeführt.
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Bei geöffnetem Schalter S sind die Transistoren T3 ... T8 gesperrt,
während die Dioden der Brücke D4 einen durch die Widerstände R1 und R3 begrenzten
Strom aus der Gleichspannungsquelle führen. Das Verhältnis des aus dem Brückenwiderstand
und dem Innenwiderstand der Transistoren T3 und T4 gebildeten Spannungsteilers ist
daher niedrig, und an der Diodenbrücke liegt nur eine kleine Wechselspannung. Diese
kleine Wechselspannung wird an einem weiteren Spannungsteiler, der von den Transistoren
T5 und TB und dem Lastwiderstand RL gebildet wird, nochmals verkleinert. Mit einer
solchen Schaltung werden auch ohne Kompensation der Kollektor-Emitter-Kapazitäten
der Transistoren Sperrdämpfungen von mehr als 100 db z. B. 115 db bei 15 kHz erreicht.
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Ist der Schalter S geschlossen, so werden die Transistorschalter T3
... T6 geöffnet, und es fließt ein Strom über den gemeinsamen Emitterwiderstand
R3. Dieser Widerstand ist in Verbindung mit den Emitterströmen und dem Spannungsteilerverhältnis
der Widerstände R1 und R2 so gewählt, daß der Spannungsanfall an ihm größer ist
als die Spannung am Widerstand R2, so daß die Dioden der Brücke D4 gesperrt werden.
Das Spannungsteilerverhältnis des Innenwiderstandes der Transistoren T3 und T4 zu
dem dynamischen Widerstand der Brücke D4 wird damit nahezu gleich Null; der Schalter
ist geöffnet. Eine Besonderheit des neuen kontaktlosen Schalters liegt darin, daß
die Diodenbrücke D4 von den Transistoren T3, T4 zwangläufig umgekehrt mitgesteuert
wird. Zur Verminderung von Knackspannungen kann zwischen der Steuerleitung der Transistoren
und Masse ein Kondensator C eingeschaltet sein. Die beschriebene Schaltung nach
F i g. 2 zeichnet sich durch ihre besonders hohe Sperrdämpfung bei gleichzeitig
guten übertragungseigenschaften aus. Es sind zahlreiche Variationen möglich, die
im allgemeinen eine Verschlechterung der übertragungscharakteristik zur Folge haben.
Beispielsweise können die Transistoren T3 ... T, durch Diodenbrvcken oderkund
die Diodenbrücke D4 durch Transistoren ersetzt werden. Es ist auch eine unsymmetrische
Einspeisung der Signalwechselspannung möglich. In diesem Falle müßte die Schaltung
mit einer erdfreien Gleichspannung angesteuert werden, damit keine Knackspannung
beim Umschalten auftritt.
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Mit dem Kreuzschienenverteiler nach F i g. 3 kann wahlweise je einer
der Eingänge El ... En auf einen der Ausgänge A 1... Am durchgeschaltet
werden. In jedem Kreuzungspunkt der Sammelschienen für die Eingangs- und Ausgangssignale
liegt jeweils ein Schalter S11, S12 ... S"," nach Art des in F i g. 2 dargestellten.
Einige Bauteile können allen Schaltern gemeinsam sein, so z. B. der Spannungsteiler
RJR2 zur Erzeugung der Vorspannung für die Diodenbrükken D4. Zur weiteren Verminderung
des Übersprechens ist in jeder Ausgangsschiene eine weitere Diodenbrücke
DA 1 ... DA," vorgesehen, welche die Ausgangsschiene kurzschließt,
wenn keiner der zugehörigen Schalter angesteuert ist. Ist dagegen ein Schalter angesteuert,
so muß der Kurzschluß aufgehoben werden. Die Diodenbrücken werden mit den Potentialen
angesteuert, die an den Widerständen R3 der einzelnen Schalter abgegriffen und mit
denen die Diodenbrücken D4 angesteuert werden. Zweckmäßig werden diese Potentiale
über Entkopplungsdioden D5 auf eine Sammelschiene geführt.